| 研究課題/領域番号 |
20H02794
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分35020:高分子材料関連
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
加藤 和明 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (80570069)
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| 研究分担者 |
小椎尾 謙 九州大学, 先導物質化学研究所, 准教授 (20346935)
星野 大樹 東北大学, 国際放射光イノベーション・スマート研究センター, 准教授 (20569173)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2023年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2022年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
2021年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
2020年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
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| キーワード | ポリロタキサンガラス / その場観察 / 力学物性 / ダイナミクス / 破壊プロセス / シクロデキストリン / 機械的結合 / 気体分離膜 / 分子運動性 / バルジ試験 / エックス線散乱 / 接着界面 / 放射光X線ナノビーム / 構造物性相関 / 接着 / ホスト－ゲスト相互作用 / 副分散 / 薄膜化 / 包接率 / X線回折 / 分子配向 / 分子設計 / 環状分子プローブ / 粘弾性緩和 / ポリロタキサン / 界面 / 放射光X線 / 分離膜 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
ポリロタキサンを用いた硬質材料について、その薄膜の気体透過時や異種材料界面における、局所構造とダイナミクスの詳細を、薄膜の加圧下での構造観察やX線ナノビームを用いた接着界面の局所構造解析、基板との相互作用を分子設計により制御した超薄膜の系統的なダイナミクス解析を行うことで、気体透過や異種材料接着のメカニズムを分子レベルで解明し、既存の高分子材料とは全く異なる分子設計を基盤とする新機能性材料の創製を目的とする。
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| 研究実績の概要 |
放射光を用いたX線ナノビームによる界面の構造解析により、金属基板界面におけるポリロタキサンガラスの局所的なひずみと分子配向の深さ依存性を明らかにした。接着力の異なるポリロタキサンガラスを比較したところ、接着力の高いポリロタキサンガラスの場合、界面から20マイクロメートル以内にひずみが集中していることが明らかになった。一方で接着力が弱い場合、界面近傍でのひずみの集中は見られず、界面からかなり離れた領域までひずみが分散していた。接着力が高い場合に見られた界面近傍のひずみを詳しく解析したところ、界面から7マイクロメートル付近に最も大きなひずみの集中が見られたが、印加する応力が大きくなるにつれてひずみが集中する領域が次第に広がっていく様子が観測された。一方、分子の配向についてはほとんど観測されなかった。バルク材料の延伸ではネッキングに伴い、相分離と分子の配向が起こるが、界面ではひずみが拘束されているためであると考えられる。こうして、ポリロタキサンガラスの主成分であるシクロデキストリン誘導体特有のX線散乱をプローブにした新たな構造解析法を用いることで、金属基板に埋もれた接着界面の構造解析を実現し、局所ひずみの非局在化と接着力との関係を示した。
また、ポリロタキサン薄膜の気体分離メカニズムの解明に向けて、バルジ試験下での偏光光速度カメラを用いた同時測定を行った。その結果、既存の高分子ガラスでは見られない複雑な分子配向が、特にバルジ中心付近で見られることが明らかとなった。バルジ中心では薄膜が等二軸延伸を受けていると考えられるため、多軸応力下でのポリロタキサンガラス特有の現象が示唆された。そこで、放射光X線マイクロビームを用いて、バルジ中心の構造解析行った。X線ダメージにより連続的な照射ができなかったものの、様々な化学構造を有するポリロタキサンガラスの散乱データの取得に成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度はSPring-8で４回の実験ができたため、昨年度まで後回しになっていた構造解析が大幅に進捗した。
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| 今後の研究の推進方策 |
昨年度までのバルジ試験下での構造観察を通して、ポリロタキサンガラスの多軸応力下では特異な構造変化を示すことが示唆された。本年度はまず、放射光X線マイクロビームを用いた測定で得られた散乱データを用いて、局所ひずみと分子配向の解析を行う。バルジ中心から離れた場所の構造解析も同時に行い、一軸延伸で起こる薄膜内での構造変化との比較を行う。こうして得られる解析の結果をもとに、ポリロタキサンガラス特有の機械的結合ネットワークが加圧下で示す構造変化と気体透過性との相関を明らかにする。また、金属基板に埋もれた接着界面におけるポリロタキサンガラスの構造解析の結果についても、局所ひずみの非局在化等が接着力に及ぼす効果を考察し、これらの研究成果を学術論文にまとめて公開する。さらに、この新規構造解析法が、ポリロタキサンガラスに限らず、シクロデキストリン等の硬い環状分子を分散させた材料に広く適用できることを、一般的な高分子接着剤を用いた同様の測定を行うことで実証する。
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